石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的蜂窝状单层二维材料。从结构上来看,可以通过弯曲或堆叠石墨烯形成其他形式的碳材料。自2004年被发现后,其基础研究和技术应用方面都取得了长足的进展。尺寸在1-10 nm之间、具有确定结构的纳米石墨烯分子,不仅可以看做是石墨烯的分子片段来研究石墨烯的构效关系,同时自身也具有优异的光学、电学、自组装等性能,在有机电子器件、发光材料、生物成像等领域表现出重要的应用价值。但是目前对纳米石墨烯分子进行直接功能化以及自组装调控等相关研究较少。本论文针对石墨烯分子直接后功能化、双层纳米石墨烯分子的合成以及自组装等进行了研究。本论文具体工作如下:纳米石墨烯分子的直接后功能化:1,通过Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应,对氯化纳米石墨烯分子C60C122和C78C126实现了区域选择性的C-N偶联,得到一系列不同取代基、不同内核的六芳胺取代的氯化纳米石墨烯分子,并对其结构进行了详尽表征;同时利用芳胺氯化石墨烯分子的缺电子内核与四硫富瓦烯进行超分子组装,研究了其分子间电荷转移现象。2,在Hummers氧化条件下对氯化纳米石墨烯分子C96H3C127和C72H2C124进行氧化,获得了两例结构确定的氧化纳米石墨烯分子。通过高分辨质谱以及X射线单晶衍射确定了外围未氯化的碳氧化为半缩醛结构。首次利用确定结构的纳米石墨烯分子去认识氧化石墨烯中可能存在的结构,也证实了之前的一些结构推测。纳米石墨烯分子的自组装:1,合成了均三甲苯基修饰内核为C96的纳米石墨烯分子,并通过质谱、X射线单晶衍射发现该分子组装为双层结构。进一步1H NMR、1H-1H NOESY等核磁表征分析,表明该分子在液相中仍然保持双层的结构特点。该双层组装结构具有很高的稳定性,能够容忍温度、浓度、溶剂的变化。2,为了更深入研究C96双层组装行为,进一步合成并表征了一系列基于C96的双层分子。利用不同取代双层C96分子研究了双层石墨烯分子的解离机理,提出双层纳米石墨烯分子解离驱动力为平行于π平面的侧向力,这也为液相剥离石墨烯机理提供了理论指导。3,进一步对分子内核进行了改变,合成了中心缺五元环的曲面的纳米石墨烯分子。由于共轭碳骨架由平面转变为曲面,层与层相互作用减弱,该曲面纳米石墨烯分子可以形成亚稳态的单体和二聚体分子。通过核磁对其组装过程的动力学热力学研究表明二聚体的形成是一个熵驱动高活化能的组装过程。